Giải thích giản đồ orbital phân tử: bậc liên kết, từ tính và quy tắc trộn s–p
Trả lời ngắn: Giản đồ orbital phân tử (MO) cho thấy các orbital nguyên tử tổ hợp thành orbital liên kết và phản liên kết thế nào. Điền electron từ dưới lên theo quy tắc Hund, rồi dùng bậc liên kết = (electron liên kết − electron phản liên kết) / 2. O₂ có bậc liên kết 2 và 2 electron độc thân (thuận từ). N₂ có bậc liên kết 3 và nghịch từ. Với từ 14 electron trở xuống, π2p nằm dưới σ2p. Công cụ tạo giản đồ MO miễn phí vẽ mọi phân tử hai nguyên tử từ H₂ đến Ne₂, cùng CO, NO, CN⁻ và HF.
Các thuật ngữ chính
| Orbital phân tử (MO) | Orbital trải trên toàn phân tử, hình thành bằng cách tổ hợp các orbital nguyên tử. |
|---|---|
| MO liên kết | Năng lượng thấp hơn các orbital nguyên tử. Mật độ electron tập trung giữa hai hạt nhân. Ký hiệu: σ, π. |
| MO phản liên kết | Năng lượng cao hơn, có một mặt nút giữa hai hạt nhân. Ký hiệu: σ*, π*. |
| Bậc liên kết | (electron liên kết − electron phản liên kết) / 2. Bậc liên kết 0 nghĩa là không có liên kết bền. |
| Thuận từ | Có một hay nhiều electron độc thân và bị hút vào từ trường. O₂ là trường hợp kinh điển. |
| Nghịch từ | Mọi electron đều ghép đôi. Bị đẩy yếu ra khỏi từ trường. N₂ và F₂ là ví dụ. |
| HOMO và LUMO | MO bị chiếm cao nhất và MO trống thấp nhất. HOMO chỉ có một electron gọi là SOMO. |
Quy tắc vẽ giản đồ MO
- Đếm số electron. Cộng các số hiệu nguyên tử, trừ điện tích với cation và cộng với anion. O₂ có 16, O₂⁺ có 15, O₂²⁻ có 18.
- Chọn thứ tự orbital. Với từ 14 electron trở xuống (Li₂ đến N₂, CO, CN⁻, NO⁺) dùng σ2s, σ*2s, π2p, σ2p, π*2p, σ*2p. Với hơn 14 electron (O₂, F₂, Ne₂, NO, O₂⁻) dùng σ2s, σ*2s, σ2p, π2p, π*2p, σ*2p.
- Điền từ dưới lên. Mỗi orbital chứa 2 electron có spin ngược nhau (nguyên lý Pauli).
- Áp dụng quy tắc Hund. Trong cặp π hoặc π* suy biến, đặt một electron vào mỗi orbital trước khi ghép đôi.
- Đọc kết quả. Bậc liên kết từ công thức, từ tính từ số electron độc thân, HOMO và LUMO từ phần trên cùng của sự điền electron.
Vì sao thứ tự đổi sau nitrogen
Sự đổi chỗ do trộn s–p gây ra. Ở B, C và N, năng lượng 2s và 2p gần nhau. Các orbital σ2s và σ2p có cùng tính đối xứng, nên chúng tương tác và đẩy σ2p lên trên π2p. Từ oxygen trở đi, khoảng cách 2s–2p lớn hơn (khoảng 16 eV với O và 21 eV với F), sự trộn yếu, và σ2p hạ xuống dưới π2p.
Cách dùng công cụ tạo giản đồ MO từng bước
- Mở công cụ tạo giản đồ orbital phân tử.
- Nhập một tiểu phân vào Phân tử hoặc ion, ví dụ
O2,N2+,O2 2-,NO,COhoặcCN-. Hoặc chọn Nguyên tử 1, Nguyên tử 2 và Điện tích. - Hoặc nhấn một nút ví dụ như B₂, C₂, O₂⁻ hoặc HF.
- Giữ Thứ tự orbital ở Tự động (quy tắc 14 electron). Để thấy vì sao quy tắc quan trọng, chuyển sang Không trộn s–p và xem B₂ trở thành nghịch từ.
- Đọc bậc liên kết, cấu hình MO, HOMO, LUMO và từ tính trong bảng kết quả.
- Nhấn Tải SVG hoặc Tải PNG để lưu giản đồ.
Ví dụ có lời giải
1. Oxygen, O₂
16 electron: KK σ2s² σ*2s² σ2p² π2p⁴ π*2p². Electron liên kết = 10 (kể cả σ1s²), phản liên kết = 6. Bậc liên kết = (10 − 6)/2 = 2. Hai electron π* nằm ở hai orbital riêng với spin song song, nên O₂ có 2 electron độc thân và thuận từ. Oxygen lỏng bám giữa hai cực nam châm; nitrogen lỏng thì không.
2. Nitrogen, N₂
14 electron: KK σ2s² σ*2s² π2p⁴ σ2p². Bậc liên kết = (10 − 4)/2 = 3. Mọi electron đều ghép đôi, nên N₂ nghịch từ. HOMO là σ2p và LUMO là π*2p. Liên kết ba giải thích năng lượng liên kết cao 945 kJ/mol.
3. B₂ và C₂
B₂ có 10 electron: KK σ2s² σ*2s² π2p¹ π2p¹. Bậc liên kết 1, 2 electron độc thân, thuận từ. C₂ có 12 electron: KK σ2s² σ*2s² π2p⁴. Bậc liên kết 2, nghịch từ. Tính thuận từ đo được của B₂ là bằng chứng thực nghiệm rằng π2p nằm dưới σ2p với các nguyên tố nhẹ.
4. Dãy oxygen
O₂⁺ (15 e) bớt một electron π*: bậc liên kết 2,5, độ dài liên kết 112 pm. O₂⁻, superoxide (17 e): bậc liên kết 1,5, 133 pm. O₂²⁻, peroxide (18 e): bậc liên kết 1, 149 pm, nghịch từ. Càng nhiều electron phản liên kết thì liên kết càng dài và yếu.
5. NO và NO⁺
NO có 15 electron với một electron trong π*2p: bậc liên kết 2,5, thuận từ. Bớt electron đó cho NO⁺ (14 e), đẳng electron với N₂: bậc liên kết 3, nghịch từ, và liên kết ngắn lại từ 115 pm xuống 106 pm.
6. CO và HF (dị hạch)
CO có 14 electron như N₂: bậc liên kết 3, nghịch từ. Oxygen có độ âm điện lớn hơn, nên các orbital nguyên tử của nó nằm thấp hơn. HOMO (σ2p, còn gọi là 3σ) chủ yếu là cặp electron tự do của carbon, vì vậy CO liên kết với kim loại qua carbon. Trong HF, orbital 1s của H chỉ xen phủ với một orbital 2p của F. Các orbital còn lại của F là không liên kết, nên HF có bậc liên kết 1.
Bảng tóm tắt
| Tiểu phân | Electron | Cấu hình hóa trị | Bậc liên kết | Từ tính |
|---|---|---|---|---|
| H₂ | 2 | σ1s² | 1 | nghịch từ |
| He₂⁺ | 3 | σ1s² σ*1s¹ | 0.5 | thuận từ (1) |
| Li₂ | 6 | σ2s² | 1 | nghịch từ |
| Be₂ | 8 | σ2s² σ*2s² | 0 | không bền |
| B₂ | 10 | σ2s² σ*2s² π2p² | 1 | thuận từ (2) |
| C₂ | 12 | σ2s² σ*2s² π2p⁴ | 2 | nghịch từ |
| N₂, CO, CN⁻, NO⁺ | 14 | σ2s² σ*2s² π2p⁴ σ2p² | 3 | nghịch từ |
| NO, O₂⁺ | 15 | … σ2p² π2p⁴ π*2p¹ | 2.5 | thuận từ (1) |
| O₂ | 16 | σ2s² σ*2s² σ2p² π2p⁴ π*2p² | 2 | thuận từ (2) |
| O₂⁻ | 17 | … π*2p³ | 1.5 | thuận từ (1) |
| F₂, O₂²⁻ | 18 | … π*2p⁴ | 1 | nghịch từ |
| Ne₂ | 20 | … π*2p⁴ σ*2p² | 0 | không bền |
Lỗi thường gặp
- Dùng thứ tự của O₂ cho B₂, C₂ hoặc N₂. Cách này cho từ tính sai với B₂ và C₂.
- Ghép đôi electron trong π* quá sớm. Khi đó O₂ trông như nghịch từ, điều này sai.
- Quên thay đổi số electron đối với ion.
- Đếm electron lõi ở một vế của công thức nhưng không đếm ở vế kia. Hãy đếm tất cả electron, hoặc chỉ electron hóa trị, nhưng làm giống nhau cho liên kết và phản liên kết.
- Nghĩ rằng chỉ tiểu phân có số electron lẻ mới thuận từ. O₂ (16) và B₂ (10) có số chẵn mà vẫn thuận từ.
Mẹo khi đi thi
- Ôn thi: học mẹo nhanh cho phân tử hai nguyên tử chu kỳ 2 theo tổng số electron: 10 cho 1, 12 cho 2, 14 cho 3, 15 cho 2,5, 16 cho 2, 17 cho 1,5, 18 cho 1 và 20 cho 0. Số lẻ luôn thuận từ. Trong các số chẵn, 10 (B₂) và 16 (O₂, NO⁻) cũng thuận từ.
- Ôn thi: để xếp độ dài liên kết, xếp bậc liên kết theo thứ tự ngược lại: O₂²⁻ > O₂⁻ > O₂ > O₂⁺.
- AP Chemistry: thuyết MO giải thích điều công thức Lewis không làm được: O₂ thuận từ dù công thức Lewis của nó có mọi electron đều ghép đôi.
- A-level và IB: sẵn sàng định nghĩa liên kết σ và π theo xen phủ trục và xen phủ bên, và giải thích vì sao liên kết π yếu hơn liên kết σ.
- Đại học: dùng ký hiệu g và u cho phân tử hai nguyên tử đồng hạch (σg, σu*, πu, πg*), và liên hệ giản đồ MO với phổ quang electron và liên kết cho ngược của CO trong carbonyl kim loại.
Kiểm tra mọi đáp án trong vài giây bằng công cụ tạo giản đồ MO, rồi tải giản đồ về cho ghi chép của bạn.
Hỏi và đáp
Giản đồ orbital phân tử là gì?
Đó là giản đồ năng lượng thể hiện các orbital nguyên tử của hai nguyên tử ở hai bên và các orbital phân tử chúng tạo thành ở giữa. Electron được vẽ bằng mũi tên, và giản đồ cho biết bậc liên kết, từ tính, HOMO và LUMO.
Tính bậc liên kết từ giản đồ MO thế nào?
Bậc liên kết = (số electron trong orbital liên kết − số electron trong orbital phản liên kết) / 2. Với O₂: (10 − 6)/2 = 2. Với N₂: (10 − 4)/2 = 3.
Vì sao O₂ thuận từ?
Hai electron cuối cùng của nó chiếm riêng lẻ hai orbital π*2p suy biến, với spin song song (quy tắc Hund). Hai electron độc thân làm O₂ thuận từ.
Khi nào σ2p nằm dưới π2p?
Với O₂, F₂, Ne₂ và các tiểu phân khác có hơn 14 electron. Với Li₂ đến N₂ và các tiểu phân có từ 14 electron trở xuống, sự trộn s–p đẩy σ2p lên trên π2p.
Những phân tử hai nguyên tử nào có bậc liên kết 3?
N₂, CO, CN⁻ và NO⁺. Chúng đều có 14 electron và cấu hình KK σ2s² σ*2s² π2p⁴ σ2p².
Vì sao He₂ không tồn tại?
He₂ có 2 electron liên kết và 2 electron phản liên kết, nên bậc liên kết là 0. Không có liên kết thực. He₂⁺ có bậc liên kết 0,5 và có tồn tại.
B₂ thuận từ hay nghịch từ?
B₂ thuận từ với 2 electron độc thân, mỗi electron ở một orbital π2p. Điều này chỉ đúng nếu π2p nằm dưới σ2p, nên B₂ là bằng chứng cho sự trộn s–p.